винтовая свая и инструмент для ее установки в грунт

Формула изобретения

1. Винтовая свая, содержащая железобетонный ствол, на нижнем торце которого закреплен металлический башмак с направляющим конусом, ступицей, винтовой лопастью на поверхности ступицы и устройством для восприятия крутящего момента с инвентарного ключа, отличающаяся тем, что со стороны верхнего торца ствола сваи организовано посадочное место под установку стопорного приспособления для фиксации сваи в инвентарном ключе рабочего органа завинчивающей машины при подъеме сваи и ее установке на место погружения, причем посадочное место выполнено с возможностью обеспечения извлечения упомянутого приспособления после завершения процесса погружения сваи, при этом устройство для восприятия крутящего момента от инвентарного ключа расположено на верхнем торце ступицы башмака и выполнено в виде многогранного в проекции сверху оголовка, грани которого выполнены с выступанием за наружную поверхность железобетонного ствола.

2. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что оголовок в проекции сверху имеет форму правильного многогранника, например квадрата, или шестигранника, или восьмигранника.

3. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что посадочное место под установку приспособления, обеспечивающего фиксацию сваи в инвентарном ключе рабочего органа завинчивающей машины при подъеме сваи и ее установке на место погружения, выполнено в виде металлической вставки с внутренней резьбой.

4. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что ствол сваи выполнен призматическим.

5. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что ствол сваи выполнен цилиндрическим.

6. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что ствол сваи выполнен пустотелым.

7. Инструмент для установки винтовой сваи в грунт, содержащий наружный инвентарный ключ в виде металлической трубы с наголовником для соединения с вращателем завинчивающей машины и устройством для передачи крутящего момента с инвентарного ключа на оголовок сваи, и стопорное приспособление для фиксации сваи в инвентарном ключе при ее подъеме и установке на место погружения, фиксатор которого установлен в центрально расположенное сквозное отверстие в верхней части трубы инвентарного ключа, отличающийся тем, что стопорное приспособление оснащено держателем, головка которого выполнена с заходным конусом и центрирующим пояском, а нижняя часть снабжена устройством для закрепления на посадочном месте сваи, а фиксатор выполнен с возможностью удержания держателя с закрепленной сваей в трубе инвентарного ключа, причем в наголовнике инвентарного ключа со стороны внутренней полости трубы выполнено центрирующее отверстие под размещение головки держателя, при этом устройство для передачи крутящего момента от инвентарного ключа выполнено в виде многогранного отверстия в нижней части трубы, соответствующего многограннику оголовка сваи.

8. Инструмент по п.7, отличающийся тем, что металлическая труба инвентарного ключа выполнена с наружным диаметром, не превышающим диаметр ступицы башмака погружаемой винтовой сваи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к фундаментостроению, и может быть использовано при возведении свайных фундаментов и закреплении различных механизмов и устройств на грунте в условиях стесненной городской застройки.

В настоящее время в строительстве при возведении фундаментов широкое распространение получили железобетонные сваи, что объясняется их универсальностью и разнообразием форм [1, стр.179-180]. Чаще всего используют монолитные квадратные в сечении (призматические) сваи и пустотелые круглые (цилиндрические) сваи с постоянным сечением по длине. В связи с простотой изготовления, экономичностью транспортировки особое распространение получили призматические сваи. Погружение таких свай в грунт осуществляют посредством свайного молота (забивные сваи) или с помощью вибропогружателей.

Так известна свая [2], содержащая железобетонный ствол, один конец которого заострен, а на другом выполнен оголовок, погружаемая в грунт свайным молотом.

Однако в стесненных условиях городской застройки использование известной сваи для возведения свайных фундаментов при строительстве новых объектов значительно затруднено, т.к. основания и фундаменты зданий, сооружений и дорог, расположенных в непосредственной близости от вновь строящегося объекта, испытывают значительные динамические нагрузки, в результате чего подвергаются деформациям и разрушению. По этим же причинам невозможно использование забивных свай при реконструкции и увеличении несущей способности фундамента эксплуатируемого здания.

В связи с вышеизложенным, при усилении конструкции старых фундаментов или строительстве новых вблизи существующих сооружений применяют винтовые сваи, погружение которых происходит плавно, не вызывает сотрясений грунтов и нарушения его структуры за пределами габаритов винтовых лопастей [3, стр.8].

Поскольку железобетонные стволы винтовых свай плохо работают на кручение, завинчивание винтовых свай предусматривается с помощью инвентарных ключей, наружного или внутреннего. При таком погружении ствол сваи не нагружается, крутящий момент воспринимает инвентарный ключ.

Известна винтовая свая, погружаемая в грунт с помощью внутреннего инвентарного ключа [4, стр.25], содержащая железобетонный ствол кольцевого сечения и закрепленный на его нижнем конце винтовой башмак. Винтовой башмак содержит направляющий конус, ступицу и винтовую лопасть. В средней части ступицы выполнено квадратное отверстие под профилированный нижний конец инвентарного ключа, который имеет квадратное сечение.

Внутренний инвентарный ключ [4, стр.25], используемый для погружения известной сваи, представляет собой стальной стержень, который вставляется внутрь ствола сваи. В верхней части стержня выполнен наголовник, который служит для соединения ключа с кареткой рабочего органа машины для завинчивания, а в нижней части - профилированная головка, являющаяся той частью инвентарного ключа, которая входит в соответствующее посадочное место винтового башмака сваи и непосредственно через которую передается крутящий момент и осевая нагрузка на ствол сваи.

К недостаткам сваи, погружаемой с помощью внутреннего инвентарного ключа, относится следующее.

При установке инвентарного ключа в полый железобетонный ствол сваи возможны сколы бетона на внутренней поверхности ствола. Образовавшиеся при этом механические частицы скалываемого бетона могут попасть в посадочное место под инвентарный ключ, препятствуя установке последнего и в целом всей сваи, а главное - нельзя обеспечить центрирование ключа в начальный момент установки сваи. Кроме того, ствол такой сваи может быть только пустотелым (т.к. только в этом случае возможна установка внутреннего инвентарного ключа) и цилиндрическим (т.к. погружение винтовой сваи с призматическим стволом, во-первых, нарушает структуру грунта вокруг ствола, а во-вторых, требует больших энергозатрат при установке).

Известна винтовая свая, погружаемая в грунт с помощью наружного инвентарного ключа [3, стр.111], принятая за прототип, содержащая железобетонный ствол сплошного сечения и закрепленный на его нижнем конце винтовой башмак. Винтовой башмак содержит направляющий конус, ступицу и винтовую лопасть. На наружной части ступицы выполнены шлицевые пазы для взаимодействия с зубьями инвентарного ключа

Наружный инвентарный ключ представляет собой металлическую трубу [4, стр.24-25], надеваемую на ствол винтовой сваи. На верхнем конце трубы выполнен наголовник для соединения с вращателем завинчивающей машины. На нижнем конце трубы выполнены прямоугольные выступы, которые входят в шлицы ступицы винтовой сваи, передавая лопасти крутящий момент и прижимное усилие, развиваемое машиной, минуя при этом железобетонный ствол. После погружения сваи инвентарный ключ извлекают наверх и используют при завинчивании последующих свай.

При таком погружении ствол сваи не работает, его поверхность не контактирует с грунтом и не испытывает от него сопротивления, поэтому при использовании наружного инвентарного ключа возможно завинчивание винтовых свай как с цилиндрическим, так и призматическим стволом, в связи с чем возможно использование широко распространенных призматических забивных свай в качестве стволов для винтовых свай.

Однако, как показала практика, во время завинчивания сваи указанным наружным инвентарным ключом прямоугольные шлицы нижнего конца трубы ключа, служащие для передачи крутящего момента, деформируются (сминаются) при завинчивании предшествующих свай и довольно скоро (в ряде случаев уже на шестой свае) инвентарный ключ заклинивает на винтовом башмаке до такой степени, что снять ключ со ствола сваи и извлечь его из грунта не удается [4, стр.31]. В таких случаях инвентарный ключ срезают на уровне поверхности грунта и заменяют новым. При этом неизбежны потери времени на переустановку ключа, кроме того указанный процесс весьма трудоемок и требует больших трудозатрат. Кроме того, в конструкциях сваи и ключа не предусмотрена возможность центрирования сваи во внутренней полости ключа и ее фиксации там от выскальзывания в процессе работы.

В качестве прототипа инструмента для установки винтовой сваи выбран универсальный инвентарный ключ [4, с.144-146], который может быть использован как при установке в грунт винтовой сваи, так и винтового анкера. Универсальный инвентарный ключ представляет собой металлическую трубу с наголовником в верхней части и с устройством для передачи крутящего момента на винтовую лопасть анкера. Указанное устройство выполнено в виде наконечника, устанавливаемого в полость винтового башмака анкера (полость выполнена в виде круга с двумя лысками). Металлическую тягу (ствол) анкера перед завинчиванием пропускают внутрь инвентарного ключа, для чего в наконечнике последнего выполнено сквозное отверстие. Центрирование тяги во внутренней полости инвентарного ключа, а главное предотвращение выскальзывания винтового анкера из него во время зарядки в машину, удержания во время переезда и завинчивания, осуществляют специальным стопорным приспособлением. Стопорное приспособление представляет собой фиксатор в виде штыря, устанавливаемого в сквозные отверстия трубы ключа и тяги.

К недостаткам прототипа относится то, что его стопорное приспособление может быть использовано только при установке металлических анкеров малого диаметра. При возведении массивной железобетонной сваи, которая к тому же в начале процесса завинчивания устанавливается в инвентарный ключ из наклонного положения, выполнение стопорного устройства в виде штыря не исключает перекосы осей сваи и инвентарного ключа, а выполнение сквозного отверстия в стволе сваи под установку штыря, ослабляет сечение сваи. Кроме того, в связи с тем что место соединения инвентарного ключа и ступицы сваи находится при завинчивании в непосредственном контакте с грунтом, возможно попадание частиц грунта в место соединения, в результате чего, как и в предыдущем аналоге, не исключена возможность заклинивания ключа на винтовом башмаке сваи.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании винтовой сваи, обладающей более высокими эксплуатационными характеристиками, и инструмента, способного длительное время обеспечивать возведение такого типа свай.

Достигаемый при этом технический результат заключается в возможности формирования свайных фундаментов в стесненных условиях городской застройки, в возможности унификации инструмента для установки любого типа известных свай, в повышении производительности и снижении энергозатрат при возведении свайных фундаментов.

Поставленная задача решается тем, что в винтовой свае, содержащей железобетонный ствол, на нижнем торце которого закреплен металлический башмак с направляющим конусом, ступицей, винтовой лопастью на поверхности ступицы и устройством для восприятия крутящего момента с инвентарного ключа, согласно изобретению, со стороны верхнего торца ствола сваи организовано посадочное место под установку приспособления фиксации сваи в инвентарном ключе рабочего органа завинчивающей машины при подъеме сваи и ее установке на место погружения, причем посадочное место выполнено с возможностью обеспечения извлечения упомянутого приспособления после завершения процесса погружения сваи, при этом устройство для восприятия крутящего момента с инвентарного ключа расположено на верхнем торце ступицы башмака и выполнено в виде многогранного, в проекции сверху, оголовка, грани которого, выполнены с выступанием за наружную поверхность железобетонного ствола.

При этом,

- оголовок в проекции сверху имеет форму правильного многогранника, например квадрата, или шестигранника, или восьмигранника;

- посадочное место под установку приспособления, обеспечивающего фиксацию сваи в инвентарном ключе рабочего органа завинчивающей машины при подъеме сваи и ее установке на место погружения, выполнено в виде металлической вставки с внутренней резьбой.

- ствол сваи может быть выполнен как призматическим, так и цилиндрическим. Кроме того, ствол сваи может быть выполнен как сплошным, так и пустотелым.

Для решения поставленной задачи предлагается инструмент, обеспечивающий установку заявляемой винтовой сваи в грунт, содержащий наружный инвентарный ключ в виде металлической трубы с наголовником для соединения с вращателем завинчивающей машины и устройством для передачи крутящего момента с инвентарного ключа на оголовок сваи и стопорное приспособление для фиксации сваи в инвентарном ключе при ее подъеме и установке на место погружения, фиксатор которого установлен в центрально расположенное сквозное отверстие в верхней части трубы инвентарного ключа. Согласно изобретению стопорное приспособление оснащено держателем, головка которого выполнена с заходным конусом и центрирующим пояском, а нижняя часть снабжена устройством для закрепления на посадочном месте сваи, а фиксатор выполнен с возможностью удержания держателя с закрепленной сваей в трубе инвентарного ключа, причем в наголовнике инвентарного ключа, со стороны внутренней полости трубы, выполнено центрирующее отверстие под размещение головки держателя, при этом устройство для передачи крутящего момента от инвентарного ключа выполнено в виде многогранного отверстия в нижней части трубы, соответствующего многограннику оголовка сваи.

При этом наружный диаметр металлической трубы инвентарного ключа не должен превышать диаметр ступицы башмака винтовой сваи.

Анализ отличительных признаков заявляемых технических решений показал следующее:

- выполнение со стороны верхнего торца ствола сваи посадочного места обеспечивает возможность установки стопорного приспособления, обеспечивающего надежную фиксацию массивных свай в инвентарном ключе рабочего органа завинчивающей машины, исключая тем самым ее выскальзывание из инвентарного ключа при подъеме сваи и ее установке на место погружения;

- выполнение посадочного места с возможностью обеспечения извлечения упомянутого приспособления после завершения процесса погружения, позволяет сохранять у сваи верхнюю опорную поверхность плоской, обеспечивая полноту заданной контактной поверхности с фундаментной плитой. В то же время посадочное место после извлечения из него стопорного приспособления может быть использовано для установки различных элементов, предназначенных для соединения сваи с конструкциями опор. При использовании винтовой сваи в качестве анкерной опоры посадочное место может быть выполнено в виде резьбового отверстия, в которое ввинчивается рым-наголовник для соединения с оттяжкой опоры;

- размещение устройства для восприятия крутящего момента с инвентарного ключа на верхнем торце ступицы башмака и выполнение его в виде многогранного, в проекции сверху, оголовка, грани которого, выполнены с выступанием за наружную поверхность железобетонного ствола, обеспечивает бесперебойную передачу крутящего момента с инвентарного ключа на лопасть сваи за счет организации места соединения ключа с винтовым башмаком сваи внутри трубы инвентарного ключа, исключая тем самым попадание частиц грунта в указанное соединение, а, следовательно снижая возможность заклинивания инвентарного ключа в процессе завинчивания;

- выполнение стопорного приспособления в виде комплекта, состоящего из держателя, нижняя часть которого снабжена устройством для закрепления на посадочном месте сваи, и фиксатора, выполненного с возможностью удержания держателя с закрепленной сваей в трубе инвентарного ключа, обеспечивает многократное использование указанного приспособления для закрепления сваи в инвентарном ключе и удержания ее там от выскальзывания в процессе работы и переезда завинчивающей машины, не ослабляя при этом прочностных и эксплуатационных характеристик сваи;

- выполнение головки держателя с заходным конусом и центрирующим пояском, а в наголовнике инвентарного ключа, со стороны внутренней полости трубы, выполнение центрирующего отверстия под размещение головки держателя обеспечивает надежное центрирование сваи в инвентарном ключе, исключая ее перекосы и повышая, тем самым, производительность возведения свайных фундаментов;

- выполнение устройства для передачи крутящего момента с инвентарного ключа в виде многогранного отверстия в нижней части трубы, соответствующего многограннику оголовка сваи, обеспечивает передачу крутящего момента на лопасть сваи, при этом место соединения инвентарного ключа с винтовым башмаком сваи находится внутри трубы инвентарного ключа, исключая, тем самым, попадание частиц грунта в указанное соединение и снижая возможность заклинивания инвентарного ключа в процессе завинчивания;

- выполнение металлической трубы инвентарного ключа с наружным диаметром, не превышающим диаметр ступицы башмака погружаемой винтовой сваи, способствует созданию оптимального по величине крутящего момента, развиваемого машиной во время погружения сваи. Следует отметить, что увеличение диаметра трубы повлечет за собой увеличение крутящего момента, развиваемого машиной во время погружения, и приведет к уменьшению несущей способности свайного фундамента из-за образования большего зазора (увеличивающегося с увеличением диаметра трубы) между грунтом и сваей после удаления инвентарного ключа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - винтовая свая, общий вид, продольный разрез;

на фиг.2 - металлическая вставка, устанавливаемая в верхнем торце винтовой сваи;

на фиг.3 - продольный разрез по инструменту для возведения винтовой сваи в грунт,

на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3, вид на оголовок сваи;

на фиг.5 - сечение В-В на фиг.3, вид на фиксатор стопорного приспособления;

на фиг.6 - винтовая свая с призматическим стволом;

на фиг.7 - сечение Г-Г на фиг.6;

на фиг.8 - винтовая свая с пустотелым стволом;

на фиг.9 - вид Д на фиг.8, вид на металлическую вставку, установленную в верхнем торце пустотелого ствола винтовой сваи;

на фиг.10 - разрез Е-Е на фиг.3, вид на наголовник инвентарного ключа.

Заявляемая винтовая свая 1 (фиг.1, 2) содержит железобетонный ствол 2, на нижнем торце которого закреплен металлический башмак 3 с направляющим конусом 4, ступицей 5 и винтовой лопастью 6. На верхнем торце ступицы 5 выполнен оголовок 7, имеющей в проекции сверху форму правильного многогранника, например квадрата, шестигранника или восьмигранника. Со стороны верхнего торца ствола 2 сваи установлена металлическая вставка 8 с внутренней резьбой.

Инструмент, посредством которого сваю 1 погружают в грунт, содержит наружный инвентарный ключ 9 (фиг.3), укомплектованный стопорным приспособлением 10 для фиксации сваи 1 в инвентарном ключе 9 при ее подъеме и установке на место погружения, а также для обеспечения центрирования сваи 1 в полости ключа 9.

Инвентарный ключ 9 выполнен в виде металлической трубы с наголовником 11 для соединения с рабочим органом 12 завинчивающей машины и устройством для передачи крутящего момента на лопасть 6 сваи. Устройство выполнено в виде многогранного отверстия «а» (фиг.4) в нижней части трубы ключа 9. Форма отверстия «а» соответствует форме оголовка 7 сваи, который воспринимает крутящий момент с ключа 9. В наголовнике 11 ключа, со стороны внутренней полости трубы, выполнено центрирующее отверстие «б» (фиг.3). В верхней части трубы ключа 9 выполнено осевое сквозное отверстие «в» (фиг.5) под установку стопорного приспособления 10.

Стопорное приспособление 10 включает держатель 13 и фиксатор 14 (фиг.3,5). Нижняя часть держателя 13 выполнена в виде резьбового хвостовика 15, ввинчиваемого в резьбовое отверстие вставки 8 сваи 1. Верхняя часть держателя 13 выполнена в виде головки 16 с заходным конусом «к» и центрирующим пояском «р». При установке сваи 1 в инвентарном ключе головка 16 размещена в центрирующем отверстии «б» наголовника 11 ключа.

Фиксатор 14 представляет собой штырь, с одной стороны которого выполнена прорезь. При возведении сваи фиксатор 14 установлен в отверстие «в» трубы инвентарного ключа 9 и прорезью взаимодействует с держателем 13, закрепленным на торце ствола 2 сваи, удерживая таким образом последнюю в полости ключа 9.

Железобетонный ствол 2 сваи может выполняться как цилиндрическим, так и призматическим (фиг.6, 7), сплошным или пустотелым. При выполнении ствола 2 пустотелым (фиг.8, 9) металлическая вставка 8 устанавливается посредством сварки с ребрами 17, в свою очередь приваренными к арматуре у верхнего торца ствола 2 сваи.

Для предотвращения выскальзывания инвентарного ключа 9 из рабочего органа 12 завинчивающей машины в сквозное диаметрально расположенное отверстие «г» рабочего органа 12 и наголовника 11 ключа вставляют стержень 17.

Работа.

Процесс возведения винтовой сваи 1 начинают с зарядки рабочего органа 12 машины инвентарным ключом 9, с помощью которого производят завинчивание. Наголовник 11 ключа заводят в рабочий орган 12 машины и закрепляют стержнем 17.

В предназначенную для погружения сваю, оборудованную посадочным местом (металлической вставкой 8 с внутренней резьбой), ввинчивают держатель 13 стопорного приспособления. Подготовленную таким образом сваю 1 устанавливают в инвентарный ключ 9.

Центрирование и удержание сваи 1 во внутренней полости инвентарного ключа при помощи стопорного приспособления осуществляют следующим образом.

При заправке сваи 1 в трубу инвентарного ключа 9 заходный конус «к» головки 16 держателя 13 вводят в центрирующее отверстие «б» наголовника 11 ключа. При этом центрирующий поясок «р» упирается во внутреннюю поверхность отверстия «б», исключая смещение головки в отверстии «б», обеспечивая тем самым совмещение центральных осей сваи 1 и трубы инвентарного ключа 9. Затем через сквозное отверстие «в» в трубе вставляют фиксатор 14 и зажимают им держатель 13, обеспечивая его удержание вместе с закрепленной сваей во внутренней полости трубы, исключая тем самым выскальзывание сваи из инвентарного ключа в процессе погружения.

Погружение сваи 1 начинают с заглубления направляющего конуса 4 в грунт под воздействием осевого усилия рабочего органа 12 машины с одновременным ее завинчиванием путем передачи крутящего момента на лопасть 6 сваи через наружный инвентарный ключ 9, путем взаимодействия многогранного отверстия «а» в нижней части трубы ключа (устройства для передачи крутящего момента с инвентарного ключ) и многогранного оголовка 7 на верхнем торце ступицы 5 (устройства для восприятия крутящего момента с инвентарного ключа).

После погружения винтовой сваи на заданную глубину прекращают передачу крутящего момента на лопасть сваи, вынимают фиксатор 14 стопорного устройства и извлекают инвентарный ключ 9. Из возведенной сваи вывинчивают держатель 13.

Образовавшийся зазор между стволом сваи и грунтом после удаления инвентарного ключа при возведении цилиндрической сваи получается минимальным (т.к. наружный диаметр наружного инвентарного ключа 9 не превышает диаметр ступицы 5 винтового башмака погружаемой сваи) и поэтому незначительно уменьшает несущую способность сваи. После засыпки этого зазора грунтом, песком или заливки бетоном несущая способность сваи восстанавливается.

Не вынимая инвентарного ключа 9 из рабочего органа машины 12 осуществляют завинчивание последующей сваи, которую предварительно закрепляют и центрируют в полости трубы стопорным приспособлением 10.

Таким образом, конструкции заявляемых винтовой сваи и инструмента для ее возведения обеспечивают возможность центрирования сваи во внутренней полости наружного инвентарного ключа и ее фиксации там от выскальзывания в процессе работы, что способствует повышению эксплуатационных характеристик возведенной в грунт сваи, позволяя при этом осуществлять возведение свайного фундамента посредством одного инструмента, что и является решением поставленной задачи.

Источники информации:

1. Далматов Б.И., Механика грунтов, основания и фундаменты, М., Стройиздат, стр.179-180.

2. Пат. РФ №2205920 на изобретение «Свая», Е02D 5/30, 5/50, от 27.07.2001 г., опубл. 10.06.2003, Бюл. №16.

3. Иродов М.Д. Применение винтовых свай в строительстве. М.: Издательство литературы по строительству, 1968 г., стр.8

4. Богорад Л.Я. Винтовые сваи и анкеры в электросетевом строительстве. М.: Энергия, 1967 г., стр.25, 144-146.